相對論是誰提出的

　　試題：

　　相對論是由誰提出的?

　　A．愛因斯坦

　　B．牛頓

　　C．霍金

　　D．達爾文

　　答案：（A）。

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　　相對論是關于時空和引力的基本理論，相對論的基本假設是相對性原理，即物理定律與參照系的選取無關。狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運動的參照系（慣系參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設下，廣泛應用于引力場中。相對論提出了“時間和空間的相對性”“四維時空”“彎曲空間”等概念。狹義相對論最著名的推論是質能公式，它能夠用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。而廣義相對論預言的引力透鏡和黑洞，也被天文觀測證實。

　　提出過程

　　除了量子理論以外，1905年剛剛得到博士學位的愛因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動體的電動力學》的文章引發(fā)了二十世紀物理學的另一場革命。文章研究的是物體的運動對光學現(xiàn)象的影響，這是當時經典物理學應對的另一個難題。

　　電磁波-內部結構模型圖十九世紀中葉，麥克斯韋建立了電磁場理論，并預言了以光速C傳播的電磁波的存在。到十九世紀末，實驗完全證實了麥克斯韋理論。電磁波是什么？它的傳播速度C是對誰而言的呢？當時流行的看法是整個宇宙空間充滿一種特殊物質叫做“以太”，電磁波是以太振動的傳播。但人們發(fā)現(xiàn)，這是一個充滿矛盾的理論。如果認為地球是在一個靜止的以太中運動，那么根據(jù)速度疊加原理，在地球上沿不一樣方向傳播的光的速度必定不一樣，但是實驗否定了這個結論。如果認為以太被地球帶著走，又明顯與天文學上的一些觀測結果不符。

　　1887年邁克爾遜和莫雷利用光的干涉現(xiàn)象進行了十分精確的測量，仍沒有發(fā)現(xiàn)地球有相對于以太的任何運動。對此，洛侖茲(H．A．Lorentz)提出了一個假設，認為一切在以太中運動的物體都要沿運動方向收縮。由此他證明了，即使地球相對以太有運動，邁克爾遜也不可能發(fā)現(xiàn)它。愛因斯坦從完全不一樣的思路研究了這一問題。他指出，只要摒棄牛頓所確立的絕對空間和絕對時間的概念，一切困難都能夠解決，根本不需要什么以太。電磁場理論

　　1887年邁克爾遜和莫雷利用光的干涉現(xiàn)象進行了十分精確的測量，仍沒有發(fā)現(xiàn)地球有相對于以太的任何運動。對此，洛侖茲(H．A．Lorentz)提出了一個假設，認為一切在以太中運動的物體都要沿運動方向收縮。由此他證明了，即使地球相對以太有運動，邁克爾遜也不可能發(fā)現(xiàn)它。愛因斯坦從完全不一樣的思路研究了這一問題。他指出，只要摒棄牛頓所確立的絕對空間和絕對時間的概念，一切困難都能夠解決，根本不需要什么以太。

　　愛因斯坦提出了兩條基本原理作為討論運動物體光學現(xiàn)象的基礎。第一個叫做相對性原理。它是說：如果坐標系K'相對于坐標系K作勻速運動而沒有轉動，則相對于這兩個坐標系所做的任何物理實驗，都不可能區(qū)分哪個是坐標系K，哪個是坐標系K′。第二個原理叫光速不變原理，它是說光（在真空中）的速度c是恒定的，它不依靠于發(fā)光物體的運動速度。

　　從表面上看，光速不變似乎與相對性原理沖突。因為按照經典力學速度的合成法則，對于K′和K這兩個做相對勻速運動的坐標系，光速就應不一樣。愛因斯坦認為，要承認這兩個原理沒有抵觸，就務必重新分析時間與空間的物理概念。

　　經典力學中的速度合成法則實際依靠于如下兩個假設：

　　1．兩個事件發(fā)生的時間間隔與測量時間所用的鐘的運動狀態(tài)沒有關系；

　　2．兩點的空間距離與測量距離所用的尺的運動狀態(tài)無關。

　　愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，如果承認光速不變原理與相對性原理是相容的，那么這兩條假設都務必摒棄。這時，對一個鐘是同時發(fā)生的事件，對另一個鐘不必須是同時的，同時性有了相對性。在兩個有相對運動的坐標系中，測量兩個特定點之間的距離得到的數(shù)值不再相等。距離也有了相對性。

　　如果設K坐標系中一個事件能夠用三個空間坐標x、y、z和一個時間坐標t來確定，而K′坐標系中同一個事件由x′、y′、z′和t′來確定，則愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，x′、y′、z′和t′能夠透過一組方程由x、y、z和t求出來。兩個坐標系的相對運動速度和光速c是方程的唯一參數(shù)。這個方程最早是由洛侖茲得到的，所以稱為洛侖茲變換。

　　利用洛侖茲變換很容易證明，鐘會因為運動而變慢，尺在運動時要比靜止時短，速度的相加滿足一個新的法則。相對性原理也被表達為一個明確的數(shù)學條件，即在洛侖茲變換下，帶撇的空時變量x'、y'、z'、t'將代替空時變量x、y、z、t，而任何自然定律的表達式仍取與原先完全相同的形式。人們稱之為普遍的自然定律對于洛侖茲變換是協(xié)變的。這一點在我們探索普遍的自然定律方面具有十分重要的作用。

　　此外，在經典物理學中，時間是絕對的。它一向充當著不一樣于三個空間坐標的獨立主角。愛因斯坦的相對論把時間與空間聯(lián)系起來了。認為物理的現(xiàn)實世界是各個事件組成的，每個事件由四個數(shù)來描述。這四個數(shù)就是它的時空坐標t和x、y、z，它們構成一個四維的連續(xù)空間，通常稱為閔可夫斯基四維空間。在相對論中，用四維方式來考察物理的現(xiàn)實世界是很自然的。狹義相對論導致的另一個重要的結果是關于質量和能量的關系。在愛因斯坦以前，物理學家一向認為質量和能量是截然不一樣的，它們是分別守恒的量。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，在相對論中質量與能量密不可分，兩個守恒定律結合為一個定律。他給出了一個著名的質量-能量公式：E＝mc^2，其中c為光速。于是質量能夠看作是它的能量的量度。計算證明，微小的質量蘊涵著巨大的能量。這個奇妙的公式為人類獲取巨大的能量，制造原子彈和氫彈以及利用原子能發(fā)電等奠定了理論基礎。

　　對愛因斯坦引入的這些全新的概念，大部分物理學家，其中包括相對論變換關系的奠基人洛侖茲，都覺得難以理解。舊的思想方法的障礙，使這一新的物理理論直到一代人之后才為廣大物理學家所熟悉，就連瑞典皇家科學院，1922年把諾貝爾獎金授予愛因斯坦時，也只是說“由于他對理論物理學的貢獻，更由于他發(fā)現(xiàn)了光電效應的定律。”對于相對論只字未提。

　　愛因斯坦于1915年進一步建立起了廣義相對論。狹義相對性原理還僅限于兩個相對做勻速運動的坐標系，而在廣義相對論性原理中勻速運動這個限制被取消了。他引入了一個等效原理，認為我們不可能區(qū)分引力效應和非勻速運動，即非勻速運動和引力是等效的。他進而分析了光線在靠近一個行星附近穿過時會受到引力而彎折的現(xiàn)象，認為引力的概念本身完全不必要。能夠認為行星的質量使它附近的空間變成彎曲，光線走的是最短程線。基于這些討論，愛因斯坦導出了一組方程，它們能夠確定由物質的存在而產生的彎曲空間幾何。利用這個方程，愛因斯坦計算了水星近日點的位移量，與實驗觀測值完全一致，解決了一個長期解釋不了的困難問題，這使愛因斯坦激動不已。他在寫給埃倫菲斯特的信中這樣寫道：“……方程給出了近日點的正確數(shù)值，你能夠想象我有多高興！有好幾天，我高興得不知怎樣才好。”

　　1915年11月25日，愛因斯坦把題為“萬有引力方程”的論文提交給了柏林的普魯士科學院，完整地論述了廣義相對論。在這篇文章中他不僅僅解釋了天文觀測中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日點移動之謎，而且還預言：星光經過太陽會發(fā)生偏折，偏折角度相當于牛頓理論所預言的數(shù)值的兩倍。第一次世界大戰(zhàn)延誤了對這個數(shù)值的測定。1919年5月25日的日全食給人們帶給了大戰(zhàn)后的第一次觀測機會。英國人愛丁頓奔赴非洲西海岸的普林西比島，進行了這一觀測。11月6日，湯姆遜在英國皇家學會和皇家天文學會聯(lián)席會議上鄭重宣布：得到證實的是愛因斯坦而不是牛頓所預言的結果。他稱贊道“這是人類思想史上最偉大的成就之一。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的不是一個小島，而是整整一個科學思想的新大陸。”泰晤士報以“科學上的革命”為題對這一重大新聞做了報道。消息傳遍全世界，愛因斯坦成了舉世矚目的名人。廣義相對論也被提高到神話般受人敬仰的寶座。

　　從那時以來，人們對廣義相對論的實驗檢驗表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣。但由于太陽系內部引力場十分弱，引力效應本身就十分小，廣義相對論的理論結果與牛頓引力理論的偏離很小，觀測十分困難。七十年代以來，由于射電天文學的進展，觀測的距離遠遠突破了太陽系，觀測的精度隨之大大提高。個性是1974年9月由麻省理工學院的泰勒和他的學生赫爾斯，用305米口徑的大型射電望遠鏡進行觀測時，發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，它是一個中子星和它的伴星在引力作用下相互繞行，周期只有0。323天，它的表面的引力比太陽表面強十萬倍，是地球上甚至太陽系內不可能獲得的檢驗引力理論的實驗室。經過長達十余年的觀測，他們得到了與廣義相對論的預言貼合得十分好的結果。由于這一重大貢獻，泰勒和赫爾斯獲得了1993年諾貝爾物理獎。

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